济南西客站市政配套工程站前广场基坑优化研究报告(编辑修改稿)

济南西客站市政配套工程站前广场基坑优化研究报告(编辑修改稿)内容摘要：

约 30m，井径 700mm，井管径 500mm。 （ 4）控制降水速度和强度，减少长期降水和绕渗对周边环境的不利影响。 （ 5）做好雨季期间基坑坑顶地面硬化以及坑内、外积水的有组织排放； （ 6）疏干井避开主体建筑基础桩基位置，若位置与桩位冲突，降水井可在2m范围内移动。 研究 内容 （ 1） 基坑复合土钉墙支护变形规律研究 设计单位依据《建筑基坑支护技术规程》（ JGJ 12099） ，已对基坑支护设计内部稳定、外部稳定、局部抗拉和混凝土喷 射面层进行了强度验算。 西客站基坑工程是重要的临时工程，为合理评估基坑开挖引起的变形及地表沉降，确保基坑开挖对周围环境和建筑物的影响控制在允许范围之内。 13 我们采用 Flac3D对放坡土钉墙、复合土钉墙设计方案进行验算。 ① 绘制地表沉降曲线，分析各设计剖面基坑开挖引起的地表沉降规律，沉降最大值及出现的位置。 基坑开挖引起的地表沉降影响范围。 ② 绘制基坑边坡水平变形曲线， 分析基坑侧向变形规律，找出各剖面基坑变形最大值。 对一般支护设计剖面、支护设计剖面加强段进行对比分析，研究预应力锚索在加强控制基坑水平变形 中 的作 用。 ③ 研究坑底隆起变形规律。 预测各设计剖面基坑开挖施工基坑隆起最大值及出现的位置。 （ 2）降水方案设计优化研究 根据济南西客站站前广场的基坑工程地质、水文地质、周边环境、地下管线、基坑设计深度等基础资料，确保高铁路基“零”沉降，开展降水方案设计优化研究： ① 根据设计规范和经验，初步提出几种止水帷幕、降水井设计方案及相应参数； ② 针对不同设计方案，对不同止水帷幕深度、止水帷幕漏水情形，开展三维基坑开挖过程的三维地下水渗流数值模拟研究。 ③ 对不同工况下计算得到地下水位变化趋势进行分析，评估降水效 果，给出较优的基坑降水设计方案，确保高铁路基“零”沉降。 14 第二章 计算原理 根据地质勘察报告、设计图纸和研究目标，我 们选用 FLAC3D开展数值模拟研究。 三维 连续体快速拉格朗日分析（ FLAC3D）是由美国 Itasca Consulting Group Inc 开发的三维显式有限差分法程序，它可以模拟岩土或其他材料的三维力学行为。 FLAC3D 将计算区域划分为若干六面体单元，每个单元在给定的边界条件下遵循指定的线性或非线性本构关系，如果单元应力使得材料屈服或产生塑性流动，则单元网格可以随着材料的变形而变形，这 就是所谓的拉格朗日算法，这种算法非常适合于模拟大变形问题。 FLAC3D 采用了显式有限差分格式来求解场的控制微分方程，并应用了混合单元离散模型，可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形，尤其在材料的弹塑性分析、流固耦合过程、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优点。 FLAC3D计算原理 (1) 空间导数的有限差分近似 在 FLAC3D中采用了混合离散方法，区域被划分为常应变六面体单元的集合体，而在计算过程中，程序内部又将每个六面体分为以六面体角点为角点的常应变四面体的集合体，变量均在四 面体上进行计算，六面体单元的应力、应变取值为其内四面体的体积加权平均。 如图 所示四面体，节点编号为 1 到 4，第 n面表示与节点 n相对的面，设其内任一点的速率分量为 iv ，则可由高斯公式可得：  S jiV ji dSnvdVv , () 其中 V 为四面体的体积， S 为四面体的外表面， n 为外表面的单位法向向量分量。 (2) 运动方程 FLAC3D 以节点为计算对象，将力和质量均集中在节点上，然后 通过运动方程在时域内进行求解。 节点运动方程可表示为如下形式： llili mFtv  () 其中 )(tFli 为在 t 时刻 l 节点的在 i 方向的不平衡力分量，可由虚功原理导 15 出。 lm 为 l 节点的集中质量，在分析静态问题时，采用虚拟质量以保证数值稳定，而在分析动态问题时则采用实际的集中质量。 图 四面体 (3) 阻尼力 对于静态问题 ， FLAC3D在式 (3)的不平衡力中加入了非粘性阻尼，阻尼力表示为： )()()( lilili vs ig ntFtf  () 其中： 为阻尼系数，其默认值为。 (4) 计算循环 FLAC3D的计算循环如图 所示。 FLAC3D优点 FLAC3D与有限元法相比有如下优点： （ 1） FLAC3D采用混合离散方法来模拟材料的屈服或塑性流动行为，这种方运动方程 对每个节点 由应力及外力利用虚功原理求节点不平衡力 由不平衡力求节点速率 本构方程 对每个单元 由节点速率求应变增量 由应变增量求应力增量及总应力 图 计算循环 16 法比有限元方法中通常采用的降阶积分更为合理。 （ 2） FLAC3D利用动态的运动方程进行求解，即使问题在本质上是静力问题。 这使得 FLAC3D很容易模拟动态问题，如振动、失稳、大变形等。 （ 3） FLAC3D 采用显式方法进行求解，对显式法来说非线性本构关系与线性本构关系并无算法上的差别，对于已知的应变增量，可很方便地求出应力增量，并得到不平衡力，就同实际中的物理过程一样，可以跟踪系统的演化过程。 而有限元采用的隐式解法对于非线性问题需进行迭代计算，比线性问题要耗费许多的计算时间，而且无法跟踪系统的演化过程。 此外，显式法不形成刚度矩阵，每一步计算所需计算机内存很小，使用较少 的计算机内存就可以模拟大量的单元，特别适于在微机上操作。 而且在求解大变形过程中，因每一时步变形很小，可采用小变形本构关系，只需将各时步的变形叠加，即得到了大变形。 这就避免了通常大变形问题中推导大变形本构关系及其应用中所遇到的麻烦，也使它的求解过程与小变形问题一样。 FLAC3D的本构模型 (1) FLAC3D包含了 10种弹塑性材料本构模型，即： 空单元模型。 三种弹性模型：各向同性、横向各向同性、正交各向异性。 六种塑性模型： DruckerPrager 准则、摩尔 库仑准则、应变硬化 /软化模型 、多节理模型、双线性应变硬化 /软化多节理模型、修正的剑桥模型。 每个单元可以有不同的材料模型或参数，材料参数可以为线性分布或随机分布。 (2) FLAC3D有五种计算模式。 静力模式。 这是 FLAC3D的默认模式，通过动态松弛方法得到静态解。 动力模式。 用户可以直接输入加速度、速度或应力波作为系统的边界条件或初始条件，边界可以是吸收边界和自由边界。 动力计算可以与渗流问题相耦合。 蠕变模式。 有五种蠕变本构模型可供选择以模拟材料的应力－应变－时间关系： Maxwell 模型、双指数模型、参考蠕变模型、粘塑性模型 、脆盐模型。 渗流模式。 可以模拟地下水流、孔隙压力耗散以及可变形孔隙介质与其间的粘性流体的耦合。 渗流服从各向同性达西定律，流体和孔隙介质均被看作可变 17 形体。 考虑非稳定流，将稳定流看作是非稳定流的特例。 边界条件可以是固定孔隙压力或恒定流，可以模拟水源或深井。 渗流计算可以与静力、动力或温度计算耦合，也可以单独计算。 温度模式。 可以模拟材料中的瞬态热传导以及温度应力。 温度计算可以与静力、动力或渗流计算耦合，也可单独计算。 (3) FLAC3D可以模拟多种结构形式。 对于通常的岩体、土体或其他材料实体，用八节点 六面体单元模拟。 FLAC3D包含有四种结构单元：梁单元、锚单元、桩单元、壳单元。 可用来模拟岩土工程中的人工结构如支护、衬砌、锚索、岩栓、土工织物、摩擦桩、板桩等。 FLAC3D的网格中可以有界面，这种界面将计算网格分割为若干部分，界面两边的网格可以分离，也可以发生滑动，因此，界面可以模拟节理、断层或虚拟的物理边界。 (4) FLAC3D 可以有多种边界条件。 边界方位可以任意变化，边界条件可以是速度边界、应力边界，单元内部可以给定初始应力，节点可以给定初始位移、速度等，还可以给定地下水位以计算有效应力，所 有给定量都可以具有空间梯度分布。 (5) FLAC3D 具有强大的内嵌程序语言 FISH，使得用户可以定义新的变量或函数，以适应用户的特殊需要。 FLAC3D计算中的问题 （ 1）地下工程中的模型建立 地下工程的数值模拟中一个非常突出的问题就是单元的离散化比较困难。 由于地下工程往往体形比较复杂，并且形状大小不一，使得网格的划分成为整个分析过程中的瓶颈。 FLAC3D 具有强大的自动三维网格生成器，内部定义了多种基本单元形态，用户还可以用 FISH 自定义单元形态，通过组合基本单元，可以生成非常复杂的三维网格，比如 交叉隧洞段。 大大降低了地下工程中的网格划分的难度，加快了模型建立的速度。 （ 2）边界条件的处理 ① 应力边界条件 18 FLAC3D 中默认情况下，边界为自由表面（自由表面是一种特殊的应力边界条件）使用其内部命令，可以给出任一边界或部分边界的外力和应力情况。 在地球坐标系（ X、 Y、 Z）中，应力为 Sxx、 Syy、 Szz、 Sxy、 Sxz、 Syz，向量坐标中（ D、 S、 N）中通过法向力、切向力给出应力。 ② 位移边界条件 FLAC3D 中不能直接控制位移。 实际上，位移并不参与 FLAC 的计算。 FLAC通过速度来控制位移。 这里所说 的速度与物理中的速度概念有一些差别。 它实际上是单位计算时步（ STEP）的位移平均值。 例如：位移为 D，计算时步为 N，则速度 V＝ D/N。 控制位移为零，只需将速度取得很小，计算时步取得很大即可。 在 FLAC3D中，可以使用内部命令设定边界的位移条件。 （ 3）初始地应力的模拟 在进行开挖或建设前，岩体已经处在一种应力状态下。 这种初始状态，就是岩体中的初始应力场。 初始应力场主要由岩体自重和地质构造力产生。 初始应力场问题很复杂，因为构造应力常常分布极不均匀，而费用昂贵的现场地应力测量只能给出计算范围中少数几个点的地应力 值，很难给出准确的应力场。 多数情况下，这种初始条件是没有具体的资料。 这时，使用 FLAC3D可以通过现有的资料来模拟初始应力场。 初始的自重应力场，可以先在自重条件下计算至平衡，然后再将所有的节点位移置零。 这时在单元中就已经加了初始的自重应力场。 对于初始的构造应力场，需要利用 FLAC3D中内嵌的 FISH 语言编写程序来添加。 渗流 原理 FLAC3D 可以模拟多孔介质中的流体流动，比如地下水在土体中的渗流问题。 FLAC3D 既可以单独进行流体计算，只考虑渗流的作用，也可以将流体计算与力学计算进行耦合，也就是常 说的流固耦合计算。 比如土体的固结，就是一种典型的流固耦合现象，在土体固结过程中超孔隙水压力的逐渐消散导致了土体发生沉降，在这个过程包含两种力学效应：（ 1）孔隙水压力的改变导致了有效应力的改变，从而影响土体的力学性能，如有效应力的减小可能使土体达到塑性屈服。 （ 2）土体中的流体会对土体体积的改变产生反作用，表现为流体孔压的变化。 19 FLAC3D 具有强大的渗流计算功能，可以解决完全饱和及有地下水变化的渗流问题。 对于地下水问题， FLAC3D 认为地下水位以上的孔压为零，且不考虑气相的作用，这种近似方法对于可忽略毛细作 用的材料是适用的。 FLAC3D模拟 多孔介质 (如土体 )中 的流体流动时，既可以单独进行流体计算，只考虑渗流的作用，也可以将流体计算与力学计算进行耦合，即常说的流固耦合计算。 流固耦合计算考虑孔隙水压力 消散引起 的 岩 土 体 位移 变化，这一过程包含两种力学效果 ： 第一，孔隙水压力的变化引起 体积应变的变化，进而影响有效应力； 第二， 应变的改变也会影响孔隙水压力。 该软件具有强大的渗流计算功能，可以解决完全饱和及有地下水位变化的渗流问题。 FLAC3D 中的渗流计算具有以下特点： (1) 针对不同材料的渗流特点，提供了三种渗流模型：各 向同性、各向异性及不透水模型； (2) 不同的单元可以赋予不同的渗流模型和渗流参数； (3) 提供了丰富而又实用的流体边界条件，包括流体压力、涌入量、渗漏量、不可渗透边界、抽水井、点源或体积源等。 (4) 计算完全饱和岩土体中的渗流问题，可以采用显式差分法或者隐式差分法； (5) 渗流问题可以和固体 (力学 )问题、热问题进行耦合； (6) 流体和固体的耦合程度依赖于固体颗粒骨架的压缩程度，用 Biot 系数表示颗粒的可压缩程度。 渗流计算的控制微分方程主要有输运方程、质量守恒 方程 方程和本构方程。 流体的运 动用 Darcy 定律来描述 ， 对于均质、各向同性固体和流体密度是常数的情况，这个方程具有如下形式： ( ) [ ] , i= 1 ,2 ,3i il f j jq k k s p x g l   () 式中 qi 是渗透流量 , p 是孔隙压力， ks是介质关于饱和度 s 的相对机动系。